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電源供應器的設計要領

No.44   1996 Sep.   p104~107,   by 編輯部



    下面要以實用的觀點來看電源供應器的設計,但是本文沒有從基本原理做開頭,而是以結論的諸要點為出發,來看看設計電源供應器時,應該注意哪些要點,讀者如果沒有基礎,或者是想更詳細的探討理論方面的資料,必須要參考電源供應器方面的專書,有些穩壓 IC 的資料單內,都有電源供應器製作的應用例子,是理論與實用兼備的很好參考資料。


整流線路

    整流線路有哪些?要怎麼選擇合適的的整流線路?這些形形色色的整流線路有哪些優缺點?

    圖 1 是常用的整流線路,最基本的整流線路如圖 1(A),這是所謂的半波整流,使用了一枚整流二極體 D1,及一枚濾波電容 C1。很清楚地可以看到這基本整流線路很簡捷,不過缺點倒是不少,像是穩壓性很差、輸出漣波很大、以及不容易濾波等。另外這種整流線路,在加了濾波電容的情況下,如果線路輸出沒有負載,會使得整流二極體上出現比變壓器次級電壓大 2.8 倍的電壓。相反地,如果沒有濾波電容,那麼所得到的整流線路電壓則只有變壓器次級電壓的 0.45 倍。這整流出的高壓在沒有負載的情況下,就對電容 C1 充電,儲存 在電容的電壓,會使變壓器次級的電壓升高,因為有這種特性,所以半波整流線路只是用於耗電流量低的應用,例如供應偏壓,這種整流線路不適合供應大電流。

    比較好的整流線路參看圖 1(B),這是我們都很熟悉的全波整流,這種整流線路需要使用中間抽頭的變壓器,而且變壓器次級電壓也必須是全波橋式整流所需的兩倍,這整流線路中二極體上的平均電壓是變壓器次級電壓之半的 0.9 倍,如果加上了濾波電容,那麼上面所提的電壓可以提昇到 1.4 倍。與半波整流比較,因為全波整流的輸出脈衝是半波整流的一倍,因此所需的濾波電容也比較小,同時所供應的電流由兩枚二極體負責,在正負半週期間輪流作用,而半波整流上的二極體則要負責供應全部的輸出電流。

Fig 01
圖 1:各種整流線路。

    圖 1(C) 則是更常見的全波橋式整流,這個整流線路的主要優點是不需要使用中間抽頭的變壓器,而改由 D1 及 D3 來替變壓器次級的中間抽頭。仔細查看這線路,發現是正負週期分別由不同的兩枚二極體組成的整流線路,這全波橋式整流與全波整流線路的平均電壓與電流是一樣的,採用的二極體額定電流至少要負載電流之半。

    有時候我們需要正負 (±) 雙電源,參看圖 1(D) 線路,我們可以從這類似全波橋式整流線路中得到極性相反大小相等的電壓。這種呈互補的整流線路,需要中間抽頭的變壓器,這個整流線路可以當成是由兩個如圖 1(B) 的線路所組成的,唯一所不同的是增加了 D3 及 D4,它們的極性恰好分別與 D1 及 D2 相反。這全波整流出來的尖峰與平均電壓與圖 1(B)、1(C) 所示的整流線路相同。


選擇二極體

    先前我們討論過全波整流線路內的二極體必須負責負載電流之半,不過這是最起碼的要求,在實際線路裡,我們必須要考慮到尖峰電流。有許多業餘無線電自製愛好者,選用二極體時,沒有注意到餘裕度,採用了與使用額定量相接近的二極體,使得許多有這方面經驗的朋友,都有過難忘的經驗,那就是在修理過的電源供應器裡,不斷地更換二極體,最後才恍然大悟,採用額定電流更大的二極體,最後才真正徹底地解決問題。

    我們要特別注意,當把整流線路結合在一起時,二極體流向濾波電容的電流,可以高達負載電流的 2~3 倍,因為這裡的電流是以脈衝方式流向電容的,所以不論是根據實驗或是經驗,都告訴我們選擇整流線路的二極體時,額定電流至少必須是負載電流的 2 倍以上,才足以提供豐富的餘裕度,以應付瞬間電流,並且保證電源供應器有很高的可靠度。

    關於二極體除了考慮額定電流之外,還必須要考慮逆向耐壓,逆向耐壓有兩個名稱,PIV (Peak Inverse Voltage) 或是 PRV (Peak Reverse Voltage),這是指二極體可以忍受的最大反向電壓,上面提到的全波整流當中,在並聯的電容上可以產生比變壓器次級電壓高 2.8 倍,所以選用的二極體至少要有比尖峰電壓高 3 倍以上的逆向耐壓。

    例如變壓器的次級是 12 伏特,那麼二極體的逆向耐壓就必須高於 36 伏特。這在一般的電源供應器比較不會有問題,但是在製作高壓電源供應器時,常會碰到,例如製作 2000 伏特的電源供應器,那麼就必須要串接好幾個逆向耐壓 1000 伏特的二極體,以防止逆向耐壓不足,二極體遭擊穿;另外一種方法就是在每只二極體上並聯電阻及電容,以降低逆向電壓。


選擇濾波電容

    一般業餘無線電自製愛好者,都習慣把濾波電容不當一回事,好像有加了就好,所以往往是從舊零件箱裡面翻出來,或是隨手取來就加上去,而從來不去探討。如果應用的場合並不在意漣波電流的大小,也許隨意取個電容來用,恰好能夠滿足。但是怎麼樣的電容才是適得其所呢?這裡有個原則可供參考:如果電源供應器的品質要求不高,則在低電流的情況下,則以每毫安培 1uF 為原則,例如 1 安培輸出的電源供應器,就採用 1000uF 的電容。如果是品質要求稍微高一些的低電流電源供應器,那麼就採用下列的公式:

    C(uF) = IL / EP-P x 6 x 103

    這裡 IL 是指負載電流,而 EP-P 是指 120Hz 的漣波電壓。在電源供應器裡,漣波電壓可以利用示波器來測量,在一般的負載情況下,可以直接在電源供應器的輸出端測量到漣波電壓。

    根據上面的公式,一個輸出 1 安培的電源供應器,必須使用 3000uF 的電容,此時的輸出漣波電壓是 2 伏特。當然這是假設這整流線路之後緊接著有穩壓線路,因為穩壓線路也有濾波的作用,因此可以降低漣波電壓。而這裡使用的 3000uF 電容,其耐壓必須要大於 36 伏特。


如何決定變壓器

    設計電源供應器的重要考慮因素之一,是變壓器的額定值,尤其是指變壓器的次級額定電流。當然工業應用時,還必須要有複雜的數學運算才能決定下來,但是我們是以實用為出點,只要選用的變壓器能正常工作就可以了。

    首先我們假設只有加了電容的整流線路,另一種加扼流圈的電源供應器因零件昂貴而變得不實用,根據這種方式設計的電源供應器,變壓器必須採用是額定輸出電流的 1.2 倍,因此要是 2 安培輸出的電源供應器,所選用的變壓器次級電流額定值要是 2.4 安培,這是指使用全波整流。

    如果採用全波橋式整流呢?則以同樣是 2 安培的輸出,變壓器的次級要求必須要達到 1.8 倍,也就是 3.6 安培。如果不察,很多業餘無線電愛好者,製作 2 安培電源供應器時,採用的是 2 安培的變壓器,所以使用時,變壓器就變得很熱,甚至發燙,或者是出現壓降,而且在全載輸出時,有很大的漣波電壓。如果知道個中原因,慎選變壓器,就可以避免發生這類問題了。


外加穩壓器線路

    現行的業餘無線電通訊設備,絕大多數需要利用穩壓電源來供電,前頭討論過的整流線路,只能供應消耗固定電流量,或者是供給吃低電流量的設備便用。如果所供電的設備負載變化大,那麼電源就必須要加以穩壓,才能促使電壓維持固定,也才不至於破壞所供電的設備,同時,正常的電源供應器,也要能夠忍受電流的瞬間超載,甚至是瞬間短路現象,現今三端子穩壓 IC 就都有這些功能了,而且大多數的穩壓 IC 碰到負載短路時,都有保護線路,可以馬上降低輸出電流,這不但可以保護穩壓 IC 本身,同時更可以保護整流線路,以及 保證受供電的設備或是負載的安全。

    選擇穩壓器時,有四項基本的因素要考慮:
1. 最大輸出電流;
2. 輸出電壓;
3. 未穩壓的輸入電壓;
4. 工作周圍溫度。

    只要知道其中的第 1 及第 2 項,就可以從穩壓 IC 的資料手冊中找到適用的穩壓 IC。所選擇的穩壓 IC 額定消耗功率一定要超過負載功率。參看圖 2 是一些基本的穩壓 IC 應用線路。

    圖 2(A) 是一種固定電壓的穩壓 IC,這類穩壓 IC 有各種固定的電壓輸出,以及不同額定功率輸出可供選擇,例如 5V、8V、及 12V 等,這類穩壓 IC 也有負電壓輸出的。

    圖 2(B) 是可謂輸出電壓的穩壓 IC,這種穩壓器所作成的電源供應器,特別適用於實驗桌上的電源。

Fig 02
圖 2:基本的穩壓線路。

    圖 2(C) 線路同樣是可調的穩壓器線路,但是有保護二極體 D1 及 D2,這當然是選用線路,不加也可以,但是假如輸出電容大於 25uF 時,建議應該加上保護二極體,因為整流線路中的大濾波電容所構成的線路會出現在穩壓 IC 的輸入端,這大電容往往會出現大於 20 安培以上的瞬間電流,這脈衝式大電流有可能會破壞穩壓 IC,所以 D1 是用來保護輸入線路,預防輸入短路,而 D2 同樣可以保護輸出短路,如果沒有這二極體的保護,穩壓 IC 的輸入及輸出短路時,都會燒毀穩壓 IC。

    穩壓 IC 的輸出電流往往不符所需,為了提高穩壓 IC 的額定輸出電流,可以利用簡單的電流放大器,如圖 2(D) 所示,Q1 可以通過比較大的電流,如果電流量非常大,則可以在 Q1 上並聯更多的電晶體,以增大輸出電流,這方面的線路可以參考其他的電源供應器手冊資料。

    剛剛談到的第 3 項基本考慮因素是未穩壓的輸入電壓,大多數固定電壓輸出的穩壓 IC,都有額定的最大輸入電壓。而可謂電壓的穩壓 IC 則以輸出及輸入間的電壓差來代替。例如圖 2(A) 的輸出及輸入間的電壓差是 7 伏特,這兩者之間的電壓差越大,表示這只穩壓 IC 的消耗功率越大,這些被穩壓 IC 消耗掉的功率,自然就需要更大效率的散熱裝置。例如供給輸出電壓是 12 伏特的穩壓 IC,輸入電壓要是高達 25 到 28 伏特,那麼這枚穩壓就會承受很大的消耗功率,所以適當的輸入電壓應該是以 18 伏特左右為宜。

    關於第 4 項,是工作環境的周圍溫度,這關係到第 3 項的參數,以及所需要的散熱片大小。散熱問題所牽涉的範圍很廣,包括到穩壓 IC 內半導體介面可以承受的最大溫度,以及穩壓 IC 與散熱片之間的熱阻。以一般經驗來說,在全負載的情況下維持一小段時間,穩壓 IC 或是散熱片上的溫度,應該要保持在可以手摸的程度,如果不放心,可以採用比想像更大一些的散熱片,只要不要把電源供應器弄成像是怪物般就可以了。

    還有穩壓 IC 與散熱片之間的處理也很要緊,應該使用傳熱優良的薄雲母,還有導熱膏只是為了增加彼此的緊密程度或說是接觸面積,千萬不要塗太厚。另外固定穩壓 IC 的方法也要講究,太鬆的話會增加熱阻,太緊的話可能會破壞絕緣物,使電源供應器無法正常工作,甚至冒煙燒毀。固定螺絲最好是不要上得太緊,使用過一段時間後,再檢查一遍就可以了。

    整流線路中的二極體也要特別注意,當大電流通過二極體之後,二極體也會生熱,為了不使溫度太高,有時也需要有散熱的處理,如果使用高功率的橋式整流子,本身通常在中心有穿孔可以當作散熱片的固定孔;如果採用個別的二極體就要特別注意了,在全負載輸出下,也千萬不能讓二極體升溫到手不能觸的程度。


實際的電源供應器例子

    為了把剛剛討論過的重點統合起來,這裡介紹一部小型的電源供應器線路,這特別對於低功率通訊的愛好者有用,參看圖 3,這是一部輸出電壓 12 伏特,額定電流輸出 1.5 安培的電源供應器,採用的零件都是剛剛討論過的。

Fig 03
圖 3:實際的電源供應器製作例子。

    圖 3 多了一些元件,除了 C1 到 C4 之外,還有 RFC1,多加這些零件,是為了去除電源哼聲,因為在直接轉換式接收機中,常會因為本地振盪的射頻訊號經由天線或是電源線的輻射,而散落到電源供應器的整流二極體,這些射頻訊號則經由半波整流的 120Hz 調制,而再度輻射出來,這訊號經由天線進到直接轉換式接機中,就形成了電源哼聲。線路中並聯在二極體上的 C1 到 C4,可以把射頻訊號旁路掉,這就使二極體不會成為有類似混頻器或是調制器的功用。事實上,對於射頻而言,C1 到 C4 的路徑可以看成是短路,當然射頻訊號 就不會存在二極體上。

    哼聲問題解決之後,加了 RFC1 所為何來?其實,RFC1 就是所謂的射頻扼流圈,它可以防止射頻經由電源供應器導線進到電源供應器來。至於變壓初級上的電容,也可以有效地防止電源供應器輻射出射頻訊號。本製作所用的二極體,建議採用橋式整流二極體,因為這種二極體可以很方便地直接固定在散熱片上。


總結

    關於電源供應器方面的技藝,我們只是像蜻蜓點水一樣,只在水面上經輕的接觸而已。這方面的完整技藝,可能需要專書才能談得完。倒是希望這個簡短的說明以及製作,可以讓你是以應付平日在電源供應器方面的簡易需求。 END



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